USB 3.0 未來的發展評析
 
英特爾提出的USB 2.0速度升級方案，似乎是個不錯的想法，許多業者對它的前景充滿著期待, 業者預測USB 3.0的個人電腦出貨量從2009年趨近於零，至2010年將可成長至2,600萬台，2011年成長至1.4億台，2012年則達到3.4億台。或許短期Host端的市場可能像是傳說中的崛起, 但對應用裝置而言, 它真的能改變什麼嗎？而目前市場是否真的已經成形？ 雖然媒體與業者也炒得沸沸揚揚, 但業界仍然不能沒有對市場以及技術發展的洞察力與判斷力, 否則盲從於市場的說法, 極可能造成產品的巨大投資損失, 總之，邁向USB 3.0的應用之路是快步起步，還是漫漫長路? 本文只是提供另一個的觀點, 希望讀者能用客觀理性的思考, 了解USB3.0市場的實際應用狀況, 至於具體的發展趨勢如何, 留待讀者自己去明斷。
 

USB 3.0的發展限制於成本與功耗增加
 
回顧2000年，USB 2.0讓許多全新類型的裝置都能直接邁入商業化階段，包括印表機、掃描器、數位相機、PC CAM、外接式DVD燒錄機、Card Reader 等等。但哪些應用正等待最新的USB3.0介面標準？過去由USB1.1轉換至USB2.0, 因為頻寬不能滿足大部分消費性產品需求所致, 而目前的狀況則有些不同, 可以運用的串列高速介面規格其實不缺, 例如 e-SATA, PCIe  Express, PCIe Cabling, HDMI 等等, 但現階段應用裝置方面, 卻是不容易找到需求高速的裝置去擴大推廣, 圖(一)所示是Intel 自家Promote USB3.0應用之領域, 由圖中所示, 大部分都是以Flash Storage相關的應用為主, 但重點就在於, USB3.0真的可以讓過去使用USB2.0的Flash Storage相關應用, 直接邁入商業化階段?

圖(一). USB3.0應用之領域 (from 2008 英特爾 IDF)
 
Flash Storage相關的DSC, MP3 Player, Pendrive等產品, 是否義無反顧改採USB3.0設計? 關鍵因素是這些產品使用高速傳輸介面設計, 對使用者有什麼好處? 我們以控制晶片設計的成本來考量, 增加Flash 容量不一定會增加控制晶片成本, 但是增加介面傳輸速度, 就需要增加Flash 介面存取資料Bus的寬度, 如此就會增加控制晶片Pin腳數, 造成封裝成本增加, 我們單就USB 3.0介面的成本考量, 業界估計會是USB 2.0的五倍，而且在系統功耗上也比USB 2.0多增加40%, 這些對於USB 3.0的擴大利用將產生困境。

對於功耗而言, 部分業者認為，USB 3.0以高速傳輸資料的時間較短, 所以功耗可以比較低， 所以USB 3.0還是有比較省電的利基, 對於這個觀點而言, 顯然忽略了USB3.0傳輸路徑上仍然存在著許多瓶頸沒有解決, 像是Memory Card 介面與 HDD Storage 速率仍無法全面跟進, 即使有利於現有少數裝置加快一些傳輸速度, 但功耗比(Power/Speed) 卻還是明顯增加, 尤其目前許多USB產品仍停滯於低速的應用, 為了較低的功耗比考量(USB1.1與USB2.0已幾乎沒有價差), 仍舊選擇USB1.1的介面做設計, 如今USB3.0 直接跳躍比USB2.0高十倍的速率, 以目前大部分產品速率無法跟進之情況下,  裝置的電力傳輸效能將只會越來越差, 這對綠能裝置的推廣將有不利的影響, 其實這正也意味著USB3.0規格於 5Gbps的速率定義, 現階段有重新檢討的必要。 

尤其在使用電池的Portable Device系統, 消費者都習慣在Local Device執行Audio/Video撥放與儲存的功能, 而Audio/Video 資料都是以Streaming的方式傳輸, 所以裝置設計若使用USB3.0的儲存介面, 對Audio/Video Streaming而言, 則不能有任何傳輸速率上的提昇, 帶來的卻只有增加系統電能消耗, 所以對於USB3.0在Portable Device的應用, 將是不利於未來的發展, 目前的參考例證就是微型硬碟, 微型硬碟應用於可攜式裝置, 其中不使用SATA介面作為設計的主要理由為, SATA介面並不隨著資料傳輸率較小而減少消耗電能, 因為Portable Device非常Concern功率消耗, 所以微型硬碟寧可選擇比較昂貴的IDE作為介面。以上說明由於成本、功耗的增加的考量下,  USB3.0很難得到市場的快速認同，畢竟單一產品成本上漲就很難說服消費者購買。何況未來設計者和消費者充分認知技術副作用的情況下, 將會認為沒必要花那麼多錢升值。
 
目前評估所有適合於USB3.0的應用產品, 依然也只有SSD的應用, 才能真正符合又要大容量又要高速的傳輸需求, 只是目前的SSD產品已然出現市場瓶頸, 高達40%左右的回修率, 令許多業者因而轉向原本的硬碟設計, 即使業者仍有選擇SSD的Solutions, 也傾向著重於傳輸的High Reliability, 而不在於Ultra High-speed 訴求 (Note: 高速SSD設計需把數顆Flash RAM並排做資料傳輸, SSD 系統的Reliability將因而下降) 。
 

利用USB 3.0的高速擴增市場的論點遭受質疑 
 
我們用USB3.0 to SATA Bridge的應用做為例子, 來討論USB 3.0的高速實用性的議題, 若USB3.0 to SATA Bridge市場發展關鍵, 是基於USB的通用性以及高速率, 我則會進一步質疑, 有了USB3.0真的會比eSATA開擴較大的市場? 如果PC擁有高速Interface, 是驅使PC週邊高速應用市場擴大的關鍵, 為什麼之前大家不想辦法利用現有的高速eSATA來擴大並統一應用市場 (例如製作SATA Panel, SATA MP3 Player,等等)?  PC又為什麼不讓eSATA更快有高的應用性與普及率? 更何況USB背負太多原生Protocol的負擔,  而且還需審慎考量並解決在複雜的Infrastructure連接上, 使用者方面所延伸之問題, 至少SATA對於高速統一應用介面的問題處理上, 比起USB擁有更加單純的優點。

目前以大容量的外接式Storage來說 , 仍是以SATA HDD為應用大宗, User其實可以利用現有的USB2.0/eSATA to iSATA的轉接盒, 直接插入高速的eSATA  Port使用, 但是這樣的應用方式好像不怎麼起色, eSATA Port的高速特性, 似乎沒有讓大家有特別的吸引力, 而產生強烈的使用慾望, 當然這也是eSATA埠沒有在PC市場高普及率的主因; 可想買一個較貴的USB3.0/eSATA to iSATA轉接盒, 最高的傳輸速度和使用eSATA埠一樣, 且只比使用USB2.0埠快了20%~30%, 那麼USB3.0/iSATA to SATA的轉接盒市場又會有多大的潛力? 我認為與eSATA同樣的問題, 因為並非PC提高eSATA或USB3.0的佔有率比重, 就能驅使 User 對Device產生強烈的使用與購買慾望, 我認為真正的關鍵是, 它的實際傳輸速度能否讓User感覺真的快很多嗎? 這才會是PC週邊高速應用市場大幅成長的關鍵,  但歸結最後的原因, PC儲存的標地物HDD仍然不夠快, 造成了所有傳輸資料儲存的瓶頸, 這也就是抑制高速儲存應用市場的癥結所在。
 
圖(二) 是一些常見消費性裝置的原始資料傳輸率。由於這是其原始資料傳輸率，故顯示的是在任何介面的最大傳輸率, 以USB2.0而言, 英特爾的ICH6晶片組能以32MByte/s的速度來傳送資料，且接收速度則可達40MByte/s。USB的協定與資料傳輸率則可超過50MByte/s。 圖內顯示唯一快過USB 2.0頻寬的裝置就是硬碟，硬碟送出資料的實際速度為60MByte/s，還不及SATA介面300MByte/s上限。對於其他裝置而言，USB 2.0並不是系統的關鍵。因此，研發業者必須思索消費者是否願意付更多錢使用USB3.0，得到的僅是將外接式硬碟提高一點點速度效能？而且大多數外接式硬碟都用來備份資料，其在效能方面的需求也並不像在遊戲或伺服器儲存那麼高。

圖(二). 各纇裝置及介面資料傳輸率比較

 
PC市場將緩步發展USB升級 

消息來源指出，英特爾恐怕無法趕上預計在2010年第一季推出支援USB 3.0之PC晶片組樣品的時間表，而這也是USB 3.0進入大量市場的一個關鍵。該消息來源甚至表示，英特爾晶片組延後問世的時間將長達一年。 另一家大廠微軟(Microsoft)何時推出搭配其Windows作業系統的原生USB 3.0 驅動程式，也還是個未知數。缺乏Windows原生驅動程式支援，意味著OEM廠商或晶片業者得自己寫驅動程式，並因此負擔額外成本與軟體缺陷的風險。至於USB3.0在整個PC的USB埠的比重如何, 我相信很難估算第一年的比例狀況, 因為第一年廠商的出貨比重, 往往多多少少會受到市場熱度的推波助瀾, 影響PC廠商對USB3.0埠的設計比重, 但往後幾年若USB3.0在PC的應用成長的因素, 假設是由周邊應用市場需求來驅使的話, 現在便可以合理地大膽臆測應該只會緩步增加比重, 因為它仍存在一些發展上的副作用, 且每增加一個USB3.0的埠, 都是增加PC的成本 (包含每埠Power Supply 需由500mA升至900mA), 它不像SATA/PCIe取代先前的IDE/PCI技術, 是以降低成本考量, 或者不增加成本方式來升級速度, 所以一台PC內配置USB, 必須參雜USB2.0與少數USB3.0埠, 而且USB3.0要超過USB2.0埠數, 預計需要非常長的時間。
 
 
USB 3.0難以取代HDMI
 
市場上以USB3.0可以用來取代HDMI的傳言, 炒得沸沸揚揚, 在此筆者歸納USB 3.0不能取代HDMI/Displayport/TV encoder理由如下:
(1). Display傳輸行為, 不能有USB的Configuration 機制, 因為一旦有Configuration, 就可能會Link Fail, 然後中斷信號傳輸, 此時需要重新插拔, 如果還是不能Link, 就完全不能看到顯示是什麼問題, 尤其是Windows軟體未被Install Ready之前, 使用USB的Display將不能看見任何的顯示。
 
(2). 目前所有Display 介面規格, 皆需Dedicated Bandwidth支援, 才不會有新增其他應用傳輸的情況下, Display 頻寬受到擾動的問題發生, 而且Panel Interface也可以依據這個Bandwidth標準, 去設計最高傳輸的解析度。目前置放在南橋的所有Interface, 都是不能保證頻寬的, 除非USB3.0 Host端的設計, 另外增加一條Displayport或HDMI介面, 可以直接連接到北橋。即便USB3.0 Host端可以用Bridge方法, 直接連接到北橋, USB3.0 Host機制, 也將被要求保有原生Host的所有功能,  否則這種介面將成為一種新的"四不像"介面。
 
(3). USB比起HDMI的傳輸機制, 因為沒有專屬影像傳輸協定與介面, 所以需要利用S/W Driver控制影像後經由南橋輸出, 而USB在南橋設計應用情況下, 常以Root Hub, 或是連接外埠Hub運作, 如果Display設計用以ISO Mode傳輸,  則其他ISO Mode的USB Device傳輸, 將直接對Display 的頻寬, 產生或大或小的擾動影響, 如果Display採以Buck Mode傳輸, 其他ISO Mode的USB Device傳輸, 將直接中斷Display的傳輸資料流,  所以USB比起HDMI的傳輸效能與品質, 將無法超越HDMI所具有之優勢。
 
(4). 以USB3.0為Display 介面, 涵蓋著複雜的Hub連接問題, 以及Bus Power 或Self Power不同的使用情況, 可能讓許多無知的消費者感到十分困惑, 尤其高頻寬的Video傳輸, 在應用端可能會延伸出許多系統問題, 讓推出產品之業者不勝其擾。 
  
或許USB-IF已經注意, 能真正符合大容量且又高速的傳輸應用太少, 所以不得不以撈過界的思維, 去制定新的Vidoe或其他傳輸模式, 來盡可能侵蝕其他高速介面的應用市場, 以期達到擴張USB3.0的發展範圍, 但無論如何各類專屬領域的高速介面 (SATA, HDMI,...),  仍舊是該專屬領域最能發揮效能的介面, 否則這些介面一開始便會考慮統一的方式去發展, 而且這些高速介面並非頻寬不足的問題被USB3.0 挑戰, 若USB3.0純粹以增加頻寬, 就能產生取代性或制勝性的因素, 說實在也不太容易, 更何況USB的Protocol 太複雜, 原生的負擔所產生的缺點太多, 想要利用USB3.0把高速介面做大一統, 實在是非常的困難。 所以我認為USB3.0 Device的市場, 若短時間看不到Flash Memory以及Storage速度瓶頸突破的發展契機,  現階段USB3.0 Device也僅能侷限於利基型應用。
 

思考USB升級的必要性 
 
由於成本、功耗等相關議題，市場轉移到這個5GHz介面技術的時程，恐怕會比大多數人所預期來得久、來得坎坷。 但儘管USB 3.0的起飛時程可能延後，又面臨諸多設計挑戰，仍有不少人對該技術的前景表示樂觀, 某部份原因是，USB已經成為PC與從數位相機到手機等各種消費性電子設備廣泛使用的介面。無論消費者是否真的在意成本、功耗等問題， 由於系統的傳輸瓶頸仍然無法完全克服,  USB3.0高速傳輸的效能不足是事實, 是否現狀可以滿足於消費者的使用需求, 仍然不得而知, USB 3.0承諾的十倍速性能會創造一個新的市場轉捩點的假設是否得宜？消費者是否能確實感受高速傳輸之便利性的價值？值得我們深思。